JP2006505128A - 高電力パルスによって磁気的に強化されたプラズマ処理 - Google Patents
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Abstract
本発明によるプラズマ処理装置には、アノードとカソードとが含まれる。イオン源は、カソードの近傍に弱電離プラズマを生成する。弱電離プラズマの近傍に磁場を生成するように、磁石が配置される。その磁場は、カソードの近傍の弱電離プラズマ内の電子を実質的に閉じ込める。電源は、アノードとカソードとの間のギャップに電場を作り出す。その電場は、弱電離プラズマ内に励起原子を生成し、カソードから二次電子を生成する。その二次電子は励起原子を電離し、それにより、強電離プラズマを生成する。電圧源は、カソードの近傍に配置される基板にバイアス電圧を印加し、それにより、基板の表面のエッチングを引き起こすように、イオンの一部が基板の表面に衝突する。
Description
プラズマ処理は、半導体製造産業などの多くの産業において広く用いられている。例えば、プラズマエッチングは、半導体製造産業において広く用いられている。表面から材料を除去するために用いられるプラズマエッチング処理には、スパッタエッチング、純化学的エッチング(pure chemical etching)、イオンエネルギー誘起エッチング(ion energy driven etching)、および、イオンインヒビターエッチング(ion inhibitor etching)の4つの基本的な典型がある。
スパッタエッチングでは、高エネルギーイオンの衝撃により、基板の表面から原子を取り出す。純化学的エッチングでは、プラズマ放電を用いることにより、ガス相のエッチャント原子を供給し、そのエッチャント原子は、基板の表面と化学的に反応することにより、ガス相の生成物を形成する。イオン強化エネルギー誘起エッチングでは、プラズマ放電を用いることにより、エッチャントおよび高エネルギーのイオンを基板の表面に供給する。イオンインヒビターエッチングでは、放電を用いることにより、エッチャント、高エネルギーのイオン、および、インヒビター前駆体分子を供給し、そのインヒビター前駆体分子が、基板に堆積することにより、保護層フィルムを形成する。周知のスパッタエッチングシステムの均一性およびエッチング速度を高めることは望ましい。
本発明は、特に、詳細な説明において記載される。添付の図面とともに以下の記載を参照することによって、本発明の上記の利点およびさらなる利点はより良く理解され得る。図面において、類似した数字は、様々な図における類似した構造要素および特徴を示す。図面は必ずしもその縮尺である必要はなく、本発明の原理の図示を重視したものである。
(詳細な説明)
図1は、無線周波数(RF)電源102を有する周知の磁気強化エッチング装置100の断面図を示す。周知の磁気強化エッチング装置100には、プラズマ105を閉じ込めるための真空チャンバ104が含まれる。真空ポンプ106は、管108を介して真空チャンバ104と流動的に結合される。真空ポンプ106は、真空チャンバ104を高真空に真空引きし、そのチャンバをプラズマ処理に適する圧力に保つように適合される。アルゴンガス供給源などのガス供給源109は、ガス注入口110を介して真空チャンバ104にガスを導入する。バルブ112は、チャンバ104へのガス流量を制御する。
図1は、無線周波数(RF)電源102を有する周知の磁気強化エッチング装置100の断面図を示す。周知の磁気強化エッチング装置100には、プラズマ105を閉じ込めるための真空チャンバ104が含まれる。真空ポンプ106は、管108を介して真空チャンバ104と流動的に結合される。真空ポンプ106は、真空チャンバ104を高真空に真空引きし、そのチャンバをプラズマ処理に適する圧力に保つように適合される。アルゴンガス供給源などのガス供給源109は、ガス注入口110を介して真空チャンバ104にガスを導入する。バルブ112は、チャンバ104へのガス流量を制御する。
磁気強化エッチング装置100にはカソード114も含まれる。カソード114は、通常、円板の形をした電極である。カソード114は、伝送線122によって、ブロッキングコンデンサ120の第1の電極118に電気接続される。ブロッキングコンデンサ120の第2の電極124は、RF電源102の第1の出力126に結合される。絶縁体128は、真空チャンバ104の壁に伝送線122を貫通させるために用いられるが、絶縁体128によって、カソード114を真空チャンバ104と絶縁させる。
アノード130は、真空チャンバ104においてカソード114の反対側に配置される。アノード130は、送電線132によってグランドに電気的に結合される。RF電源102の第2の出力134もグランドに電気的に結合される。絶縁体136を用いることにより、真空チャンバ104の壁に送電線132を貫通させて、アノード130を真空チャンバ104と絶縁する。真空チャンバ104は、グランドにも電気的に結合され得る。
カソード114の上面に実質的に平行な方向に磁場142を発生させるために、一対の磁石140をチャンバ104の外部に配置させる。カソード114の上に基板144を配置させる。
動作中に、後にエッチングされる基板144をカソード114の上に配置させる。真空ポンプ106を用いて、チャンバ104を高真空に十分真空引きする。ガス注入口110を介して、ガス供給源109からチャンバ104にエッチングガスを導入する。RF電源102は、ブロッキングコンデンサ120を介してカソード114に、13.56MHzの高周波数の放射線を提供する。
カソード114に提供される高周波数の放射線によって、カソード114の上面に垂直な方向に高周波数の電場146が作り出される。磁場142と、高周波数の電場146とは、基板144の上の領域148おいて、交差する。電子は領域148内に閉じ込められ、エッチングガスからの中性原子と衝突する。その衝突によって、高密度のプラズマ105が生成される。負のバイアスがかけられたカソード114は、プラズマ105中の正に帯電したイオンを十分に加速して引き付ける。それによって、イオンは基板144の表面をエッチングする。
カソード114とアノード130との間に印加されるRF電力は、真空チャンバ104においてエッチングガスを電離し、プラズマ105を作り出すに十分な大きさである。プラズマは、正のイオンと負の電子とから成る。典型的なRF駆動電圧は、500V〜5000Vの間にあり、カソード114とアノード130との間隔138は、約70mmである。典型的な圧力は、10mTorr〜100mTorrの範囲にある。典型的な電力密度は、0.1W/cm2〜1W/cm2の範囲にある。典型的なプラズマ密度は、109cm−3〜1011cm−3であり、電子温度は、3eVのオーダーである。
スパッタエッチング用のプラズマ105を生成する電離プロセスは、電子衝突による直接電離または原子電離と呼ばれることもあり、次のように記述し得る。
Ar+e−→Ar++2e−
ここで、Arは、エッチングガス中の中性のアルゴン原子を表し、e−は、カソード114とアノード130との間に印加される電圧に応答して生成されるイオン化用電子を表す。中性のアルゴン原子とイオン化用電子との衝突によって、アルゴンイオン(Ar+)と2つの電子が得られる。
ここで、Arは、エッチングガス中の中性のアルゴン原子を表し、e−は、カソード114とアノード130との間に印加される電圧に応答して生成されるイオン化用電子を表す。中性のアルゴン原子とイオン化用電子との衝突によって、アルゴンイオン(Ar+)と2つの電子が得られる。
カソード114からの二次電子放出によって、プラズマ放電は保持される。しかし、典型的な動作圧力が比較的高い必要があるために、二次電子はアノード130またはチャンバ104の壁から離れない。プラズマエッチングを含めた大抵のプラズマ処理において、このような圧力は最適ではない。
電離を引き起こす電子は、一般的には、磁石140により作り出される磁場に閉じ込められる。磁場閉じ込めは、磁力線が電極の表面に平行な閉じ込め領域148において最も強い。一般的に、閉じ込め領域148におけるプラズマ内の正に帯電したイオンの濃度は、チャンバ104内のどの領域におけるその濃度よりも高い。従って、基板144は、正に帯電したイオンの濃度がより高い領域の近傍領域において、より速くエッチングされる。その領域における速いエッチングによって、望ましくない基板144の不均一なエッチングが得られる。
プラズマに印加するRF電力を激増することだけでは、エッチングの均一性を改善するより均一でより密度の高いプラズマの形成は得られない。磁場が電極のいたるところにわたって均一でなく、電極付近の磁場分布は電子を閉じ込めるに適当でないために、エッチングは改善されない。その上、均一性の十分な増加の達成に必要な電力量を印加することによって、チャンバ104内に望ましくない放電(アーク放電)を引き起こす絶縁破壊状態を発生させる可能性が増し得る。
比較的高電力のパルスを周期的に印加するが、放出電力の平均を低いままにし得るために、プラズマに印加される直流(DC)電力をパルス状にすることは、有利であり得る。その上、絶縁破壊状態をもたらす可能性を低減するように、電圧パルスの幅を選択し得る。しかしながら、パルス幅に関わらず、非常に高電力のパルスを用いると、絶縁破壊状態になり得る。望ましくない電気放電は、エッチング処理を阻害し、真空チャンバ104の汚染を引き起し、基板および/またはすでに製造された処理層を傷つけ得る。その上、マグネトロン型のプラズマ発生装置を用いると、閉じ込めをかなり改善する磁場が得られる。マグネトロン型のプラズマ発生装置において生成される電子は、閉じ込めをかなり改善するE×Bドリフト電流を生成する閉ループの経路を有する。
図2は、本発明による磁気的に強化されたプラズマ処理装置(magnetically enhanced plasma processing apparatus)200の実施形態の断面図を示す。一実施形態において、磁気強化プラズマ処理装置200は磁気強化反応性イオンエッチング用に構成され得る。別の実施形態において、磁気強化プラズマ処理装置200はスパッタエッチング用に構成され得る。
磁気強化プラズマ処理装置200には、真空チャンバなどのチャンバ202が含まれる。チャンバ202は、真空バルブ206を介して真空ポンプ204と流動的に結合される。一実施形態において、チャンバ202はグランド電位に電気的に結合される。
チャンバ202は、1つまたは複数のガスライン207によって、原料ガス供給源208と結合される。一実施形態において、ガスライン207は、絶縁体209によって、チャンバおよび他の構成要素と絶縁される。その上、直列絶縁カプラー(図示していない)を用いて、ガスライン207を原料ガス供給源208と絶縁し得る。ガス流制御システム210は、チャンバ202へのガス流を制御する。ガス供給源208は、全てのタイプの原料ガス、例えばアルゴンを含み得る。実施形態によっては、原料ガスは、種々のガスの混合ガスである。その種々のガスには、反応性ガスおよび非反応性ガスが含まれる。一実施形態において、原料ガスは、希ガスまたは希ガスの混合ガスである。
未処理の基板211は、チャンバ202において基板支持体212に支えられる。基板211は、全てのタイプの加工物、例えば半導体ウェーハであり得る。一実施形態において、基板支持体212は、バイアス電圧源214の出力213に電気的に結合される。絶縁体215は、バイアス電圧源214をチャンバ202と絶縁する。一実施形態において、バイアス電圧源214は、無線周波数(RF)電源などの交流(AC)電源である。別の実施形態(図示していない)において、基板支持体212は、グランド電位に結合されるか、または電気的にフィローティングである。
磁気強化プラズマ処理装置200には、カソード216も含まれる。一実施形態において、カソード216は金属から成る。一実施形態において、カソード216は、ステンレス鋼などの化学的に不活性な材料から成る。カソード216から基板211への距離は、数センチメートルから約100センチメートルまで変化し得る。
カソード216は整合器224の出力222に結合される。絶縁体226は、カソード216をチャンバ202の接地した壁と絶縁する。整合器224の入力230はパルス電源234の第1の出力232に結合される。パルス電源234の第2の出力236はアノード238に結合される。絶縁体240は、アノード238をチャンバ202の接地した壁と絶縁する。別の絶縁体242は、アノード238をカソード216と絶縁する。
一実施形態(図示していない)において、パルス電源234の第1の出力232はカソード216に直接結合される。一実施形態(図示していない)において、パルス電源234の第2の出力236およびアノード238は、ともにグランドに結合される。一実施形態(図示していない)において、パルス電源234の第1の出力232は、負電圧のインパルスをカソード216に結合する。別の実施形態(図示していない)において、パルス電源234の第2の出力236は、正電圧のインパルスをアノード238に結合する。
一実施形態において、パルス電源234は5kV〜10kVのオーダーのピーク電圧レベルを生成する。一実施形態において、動作電圧は約50V〜約1,000Vの間にある。一実施形態において、パルス電源234は、プラズマの体積に応じて、約1A〜約5,000Aの放電電流を保つ。典型的な動作電流は、プラズマの体積に応じて変わり得、約100A未満の電流から約数千Aよりも大きな電流の間にある。一実施形態において、パルス電源234により生成されるパルスの繰返し率は1kHz未満である。一実施形態において、パルス電源234により生成されるパルスのパルス幅は、実質的に、約1マイクロ秒〜数秒の間にある。
アノード238とカソード216との間に形成されるギャップ244が、アノード238とカソード216との間の領域245に電流が流れ得るに十分であるように、アノード238は配置される。一実施形態において、ギャップ244の幅は、約0.3cm〜約10cmの間にある。カソード216の表面積とギャップの大きさとから領域245の体積が決定される。ギャップ244の大きさおよび領域245の総体積は、本明細書に記載する電離プロセスにおけるパラメータである。
アノードシールド248はアノード238の近傍に配置され、電気遮蔽として機能して、アノード238をプラズマと電気絶縁する。一実施形態において、アノードシールド248はグランド電位に結合される。絶縁体250は、アノードシールド248をアノード238と絶縁するように配置される。
磁気強化プラズマ処理装置200には磁石集合体252も含まれる。一実施形態において、磁石集合体252は、カソード216の近傍に磁場254を生成するように適合される。磁石集合体252には、永久磁石256が含まれ得、またはその代わりに電磁石(図示していない)が含まれ得る。磁石集合体252の配置は、磁場254の所望の形状および強さに応じて、変更され得る。磁石集合体252は、バランスのとれた配置、または、バランスの取れていない配置を取り得る。
一実施形態において、磁石集合体252には切り替え可能な電磁石が含まれ、切り替え可能な電磁石は、カソード216の近傍にパルス状の磁場を生成する。実施形態によっては、プラズマ処理に応じて、チャンバ202の周囲およびチャンバ202のいたる所の様々な位置に、追加の磁石集合体(図示していない)が配置される。
一実施形態において、磁気強化プラズマ処理装置200は、カソード216の近傍に磁場254を生成することによって、作動する。図2に示される実施形態において、永久磁石256は持続的に磁場254を生成する。別の実施形態において、電磁石(図示していない)は、電磁石に結合された電流源に電圧を印加することによって、磁場254を生成する。一実施形態において、磁場254の強さは約50ガウス〜約2,000ガウスの間にある。磁場254の生成後、ガス流制御システム210を用いて、チャンバ202にガス供給源208から原料ガスを供給する。
一実施形態において、チャンバ202のカソード216とアノード238との間に原料ガスを直接供給する。カソード216とアノード238との間に原料ガスを直接注入することによって、カソード216とアノード238との間のガス流速が増加し得る。そのガス流速の増加によって、より長い持続時間のインパルスが可能になる。従って、より高密度のプラズマが形成され得る。図3とともに、原料ガスの流量についてさらに記載する。
一実施形態において、パルス電源234は、弱電離プラズマ(weakly−ionized plasma)を発生させるイオン源の構成要素である。パルス電源234は、カソード216とアノード238との間に電圧パルスを印加する。一実施形態において、パルス電源234は、カソード216に負の電圧パルスを印加する。弱電離プラズマがアノード238とカソード216との間の領域246において発生するように、電圧パルスの大きさおよび形状が選択され得る。
弱電離プラズマは、予備電離プラズマとも呼ばれる。一実施形態において、予備電離プラズマのプラズマ密度のピークは、アルゴン原料ガスに対して、約106cm−3〜約1012cm−3の間にある。一実施形態において、チャンバ内の圧力は約10−3Torrから約10Torrへと変化する。予備電離プラズマのプラズマ密度のピークは、特定のプラズマ処理システムの特性に依存する。
一実施形態において、パルス電源234は、約0.1A〜約100Aの間の放電電流を伴う約100V〜約5kVの間の初期電圧を有する低電力パルスを生成することにより、
弱電離プラズマを生成する。実施形態によっては、パルス幅は約0.1マイクロ秒〜約100秒のオーダーであり得る。パルスの特定のパラメータについて、以下に、より詳細に記載する。
弱電離プラズマを生成する。実施形態によっては、パルス幅は約0.1マイクロ秒〜約100秒のオーダーであり得る。パルスの特定のパラメータについて、以下に、より詳細に記載する。
一実施形態において、カソード216とアノード238との間に原料ガスを供給する前に、パルス電源234は、カソード216とアノード238との間に電圧を印加する。別の実施形態において、カソード216とアノード238との間に原料ガスを供給した後に、パルス電源234は、カソード216とアノード238との間に電圧を印加する。
一実施形態において、直流(DC)電源(図示していない)を用いて、弱電離プラズマまたは予備電離プラズマを生成するか、または、保持する。この実施形態において、DC電源は、予備電離プラズマを点火するに十分高い電圧を生成するように適合される。一実施形態において、DC電源は、カソード216とアノード238との間に数キロボルトの初期電圧を生成することにより、予備電離プラズマを発生させ、保持する。カソード216とアノード238との間の初期電圧は、プラズマ放電電圧を生成するが、そのプラズマ放電電圧は100V〜1000Vのオーダーであり、放電電流は0.1A〜100Aのオーダーである。
予備電離プラズマを発生させ、保持するために必要な直流電流は、プラズマの体積に依存する。その上、予備電離プラズマを発生させ、保持するために必要な電流は、領域245内の磁場の強さに依存する。例えば、一実施形態において、プラズマの体積と領域245内の磁場の強さとに応じて、DC電源は約1mA〜約100Aの間にある電流を生成する。DC電源は、原料ガスの導入前に、カソード216とアノード238との間の初期ピーク電圧を生成し、保持するように適合され得る。
別の実施形態において、交流(AC)電源(図示していない)を用いて、弱電離プラズマまたは予備電離プラズマを生成し、保持する。例えば、電子サイクロトロン共鳴(ECR)、容量結合プラズマ(CCP)放電、または、誘導結合プラズマ(ICP)放電を用いて、弱電離プラズマまたは予備電離プラズマを生成し得、または保持し得る。弱電離プラズマを生成し、保持するために必要な電力は、AC電源を用いる場合の方がDC電源を用いる場合と比べて小さくなり得る。その上、多数の他の方法を用いても、予備電離プラズマまたは弱電離プラズマを生成し得る。他の方法とは、紫外線法、X線法、電子ビーム法、イオンビーム法、または電離フィラメント法などである。実施形態によっては、弱電離プラズマは領域245の外側に形成され、次いで、領域245へと拡散する。
弱電離プラズマまたは予備電離プラズマを形成することによって、カソード216とアノード238との間に高電力パルスを印加するときにチャンバ202内がブレイクダウン状態になる可能性は実質的になくなる。カソード領域一面に弱電離プラズマまたは予備電離プラズマを均一に分布させることによって、高電力パルスを印加するときに、より均一な強電離プラズマ(strongly−ionized plasma)が得られる。ブレイクダウン状態になる可能性は実質的になくなる。これは、弱電離が、プラズマを介する電気伝導を提供する低レベルの電離を有するためである。この伝導によって、プラズマに高電力を印加するときにブレイクダウン状態になる可能性は、大いに低減されるか、または、防止される。
弱電離プラズマが形成されるとすぐに、カソード216とアノード238との間に高電力パルスが生成される。一実施形態において、パルス電源234は高電力パルスを生成する。高電力パルスの所望の電力レベルは様々な要因に依存し、その要因には、エッチングプロセスの性質、所望のエッチング速度、所望の予備電離プラズマの密度、および、所望のプラズマの体積が含まれる。一実施形態において、高電力パルスの電力レベルは、約1kW〜約10MWの範囲にある。
各高電力パルスは所定の時間保たれ、一実施形態において、その時間は約1マイクロ秒〜約10秒の間にある。一実施形態において、高電力パルスの繰返し周波数または繰返し率は、約0.1Hz〜約1kHzの範囲にある。望ましくない基板の加熱を最小限にするために、プラズマの体積に応じて、パルス電源234により生成される電力の平均は、1MW未満であり得る。一実施形態において、カソード216、アノード238、および基板支持体212のうちの少なくとも1つの熱エネルギーは、ヘリウム冷却などの液体冷却またはガス冷却(図示していない)によって持去られるか、または、分散される。
高電力パルスにより、カソード216とアノード238との間に強電場が生成される。この強電場は、実質的に、カソード216とアノード238との間のギャップ244全体にわたる領域245に存在する。一実施形態において、電場はパルス状の電場である。他の実施形態において、電場は準静的な電場である。本明細書において、準静的な電場とは、電子の中性ガス粒子との衝突時間と比べてかなり長い電場変動の特性時間を有する電場のことを指す。上記の電場変動の時間は、10秒のオーダーであり得る。強電場の強さおよび位置について、以下により詳細に記載する。
高電力パルスにより、弱電離プラズマから、高電離プラズマまたは強電離プラズマが発生する。例えば、圧力が約100mTorr〜約10Torrのオーダーである場合には、この強電離プラズマから形成される放電電流は5kAのオーダーであり得、放電電圧は50V〜500Vの範囲にある。一実施形態において、カソード216からのスパッタリング材料の確率が低くなるように、放電電圧は比較的低く選ばれる。
一実施形態において、基板211はカソード216よりも負にバイアスがかけられている。強電離プラズマにおける正に帯電したイオンは基板211に向かって加速する。加速されたイオンは基板211の表面に衝突し、それによって、基板211の表面がエッチングされる。本発明の強電離プラズマにより、非常に均一で非常に高速度のエッチングが得られる。
本発明の一実施形態において、強電離プラズマのイオンフラックス密度および強電離プラズマ内のイオンのイオンエネルギーは独立に制御される。一実施形態において、電力レベルと、パルス電源234により生成される高電力パルスの持続時間とを調節することにより、イオンフラックス密度を制御する。一実施形態において、バイアス電源214(図2)により生成される負の基板バイアス電圧を調節することにより、基板211に衝突し、基板211の表面をエッチングさせるイオンのイオンエネルギーを制御する。
一実施形態において、強電離プラズマは、領域246に均一に拡散する傾向があり、従って、より均一なプラズマのボリューム(volume)を作り出す傾向にある。この均一な拡散により、従来のプラズマエッチングシステムと比べて、より均一な態様で、加速されたイオンが基板211の表面に衝突する。その結果、基板の表面はより均一にエッチングされる。一実施形態において、基板211および/または磁石集合体252を回転させる必要なしに、この均一性は得られる。図6A〜図6Dを参照して、この均一な拡散を引き起こす物理メカニズムについて、以下に記載する。
図3は、図2のカソード216およびアノード238の断面図を示す。動作中において、原料ガス264はカソード216とアノード238との間を流れる。一実施形態において、カソード216とアノード238との間の領域245において比較的高いガス体積交換が引き起こされるために、原料ガス264の流量が選択される。
原料ガス264をまたぎカソード216とアノード238との間に予備電離電圧を印加し、弱電離プラズマを形成する。弱電離プラズマは、通常、領域245内に形成され、原料ガス264が引続き流れるように、領域266へと拡散する。一実施形態(図示していない)において、磁石集合体252は、カソードの中心に広がる領域245内に磁場254を作り出すように適合される。上記の磁場は、電子の領域245から領域266への拡散を促進する。他の実施形態において、領域245内の弱電離プラズマのボリュームは、速やかに原料ガス264の新たなボリュームに置換される。弱電離プラズマ内の電子は、実質的に、磁場254により領域266内に閉じ込められる。
領域245内における弱電離プラズマの形成の後に、カソード216とアノード238との間に高電力パルスを印加する。この高電力パルスは、カソード216とアノード238との間の領域245における強電場260を生成する。強電場260により、弱電離プラズマ内において、中性原子、電子、およびイオン間の衝突が引き起こされる。その衝突により、弱電離プラズマ内に励起したアルゴン原子が多数生成される。一実施形態において、カソード216およびアノード238は、スパッタエッチング材料処理用に適合される。
弱電離プラズマにおける励起原子の蓄積は、電離プロセスを変える。一実施形態において、強電場260は、原子原料ガスの多段階電離プロセスを促進する。多段階電離プロセスは、強電離プラズマが形成される速度を有意に増加させる。多段階電離プロセスの効率は、弱電離プラズマにおける励起原子の密度の増加に伴い上がる。他の実施形態において、強電場260は、分子または原子の原料ガスのイオンの形成を促進して、活性イオンエッチング用の活性イオン源を供給する。
一実施形態において、原子の励起速度を最大化にするように、カソード216とアノード238との間の距離またはギャップ244が選択される。領域245内の電場260の値は、パルス電源234(図2)により印加される電圧レベル、および、アノード238とカソード216との間のギャップ244の大きさに依存する。実施形態によっては、種々のシステムのパラメータおよびマグネトロンシステムの動作条件に応じて、電場260の強さは約5V/cm〜約105V/cmの間を変化する。
実施形態によっては、プロセスの種々のパラメータに応じて、ギャップ244は約0.30cm〜約10cmの間にあり得る。一実施形態において、領域245内の電場260は、予備電離プラズマまたは弱電離プラズマに急激に加えられる。実施形態によっては、急激に印加される電場260は、立上り時間が約0.1ミリ秒〜約10秒の間にある電圧パルスにより生成される。
一実施形態において、ギャップ244の大きさ、および、印加電場260のパラメータは、領域245内の原子の励起速度が最大になる最適条件を決定するように選択される。例えば、アルゴンガスを励起させるには約11.55eVのエネルギーが必要である。従って、原料ガス264が領域245を介して流れるときに、弱電離プラズマが形成され、弱電離プラズマ内の原子は、段階的に電離プロセスを受ける。
弱電離プラズマ内の励起原子は、磁場254により領域266内に閉じ込められている電子に衝突する。中性原子を電離させるには約15.76eVのエネルギーが必要であるのに対して、励起原子を電離させるには約4eVのエネルギーしか必要でない。従って、励起原子は中性原子よりもかなり高い速度で電離する。一実施形態において、強電離プラズマ内のイオンはカソード216に衝突し、それにより、カソード216から二次電子放出を引き起こす。その二次電子は、実質的に磁場254により閉じ込められ、強電離プラズマ内の全ての中性原子または励起原子と相互作用する。このプロセスにより、原料ガス264を補給するときに、強電離プラズマ内のイオン密度がさらに増加する。
電場260の急激な印加に対応する多段階電離プロセスは次のように記述し得る。
Ar+e−→Ar*+2e−
Ar*+e−→Ar++2e−
ここで、Arは原料ガス内の中性のアルゴン原子を表し、e−は、カソード216とアノード238との間に十分な電圧が印加される場合に、予備電離プラズマに応答して生成されるイオン化用電子を表す。また、Ar*は、弱電離プラズマ内の励起したアルゴン原子を表す。励起したアルゴン原子とイオン化用電子との衝突により、アルゴンイオン(Ar+)と2つの電子とが得られる。
Ar+e−→Ar*+2e−
Ar*+e−→Ar++2e−
ここで、Arは原料ガス内の中性のアルゴン原子を表し、e−は、カソード216とアノード238との間に十分な電圧が印加される場合に、予備電離プラズマに応答して生成されるイオン化用電子を表す。また、Ar*は、弱電離プラズマ内の励起したアルゴン原子を表す。励起したアルゴン原子とイオン化用電子との衝突により、アルゴンイオン(Ar+)と2つの電子とが得られる。
励起したアルゴン原子を電離させるために必要なエネルギーは、通常、中性のアルゴン原子の場合よりも少ない。従って、中性のアルゴン原子と比べて、その励起原子は、カソード216の表面近傍においてより速く電離する傾向にある。プラズマ内の励起原子の密度が増えるにつれ、電離プロセスの効率は急激に上がる。この効率の増大により、最終的に、強電離プラズマの密度がアバランシェのように増加する。適切な励起条件下において、原子の励起に変換される弱電離プラズマに加えられるエネルギーの割合は、原料ガス内のパルス放電に対して特に高い。
従って、本発明の一局面において、ギャップ244全体に弱電離プラズマに高電力パルスを印加することにより、アノード238とカソード216との間に強電場260が生成される。強電場260により、弱電離プラズマ内に励起原子が生成される。励起原子はカソードの中心へと拡散し、カソード216により放出される二次電子によって急激に電離される。その急激な電離の結果、カソード216の近傍領域に形成されるイオン密度の高い強電離プラズマが得られる。
本発明の一実施形態において、領域245における原料ガス264の流量を制御することによって、より高い密度のプラズマが生成される。この実施形態において、原料ガス264の第1のボリュームは領域245に供給される。次いで、原料ガス264の第1のボリュームが電離さることにより、領域245内に弱電離プラズマが形成される。次いで、パルス電源234(図2)は、弱電離プラズマ全体に高電力電気パルスを印加する。その高電力電気パルスにより、弱電離プラズマから強電離プラズマが生成される。
高電力電気パルスのレベルおよび持続時間は、高電力放電が縮小し、終結する前に、高電離プラズマが吸収し得る電力レベルおよび持続時間に制限される。一実施形態において、原料ガス264の流速を増加させることにより、高電力電気パルスの強度および持続時間が増加され得て、強電離プラズマの密度が増加する。
一実施形態において、原料ガス264のボリュームの速い交換により、領域245を介して強電離プラズマを移動させる。原料ガス264が領域245を介して移動すると、原料ガス264は、移動する強電離プラズマと相互作用し、印加された高電力電気パルスを受けて強電離状態になる。電離プロセスは、先に記載のように、直接電離および/または段階的電離を組み合わせたものであり得る。原料ガス264のボリュームの速い交換による領域245を介する強電離プラズマの移動により、強電離プラズマに印加され得る電力レベルおよび持続時間は増加される。従って、領域246内に高密度の強電離プラズマが生成される。
図4は、図2に示される磁気強化プラズマ処理装置200におけるプラズマに、周期的なパルスを印加する場合における、時間の関数としての印加パルス電力のグラフ表示300を示す。時刻t0において、パルス電源234を作動させる前に、ガス供給源208から原料ガスをチャンバ202に流入させる。ガス供給源208からチャンバ202への十分な量のガスの流入に要する時間は、様々な要因に依存し、その要因には、ガスの流速およびチャンバ202内の所望の圧力が含まれる。
一実施形態(図示していない)において、原料ガスをチャンバ202に流入させる前に、パルス電源234を作動させる。この実施形態において、アノード238とカソード216との間に原料ガスを注入する。アノード238とカソード216との間において、パルス電源234により原料ガスが点火されることによって、弱電離プラズマが生成される。
一実施形態において、時刻t0〜時刻t1において、原料ガスはアノード238とカソード216との間を流れる。時刻t1において、パルス電源234は、カソード216とアノード238との間にパルス302を生成し、パルス302の電力は、プラズマの体積に応じて、約0.01kW〜約100kWの間にある。パルス302は原料ガスを点火するに十分であり、弱電離プラズマを生成する。
一実施形態(図示していない)において、ガス供給源208から原料ガス264(図3)がチャンバ202内に達する前に、パルス電源234は、カソード216とアノード238との間に電位差を加える。この実施形態において、原料ガス264がカソード216とアノード238との間に流れるときに、原料ガス264は点火される。他の実施形態において、ガス供給源208からの原料ガス264がチャンバ202に到達する間、または、到達した後に、パルス電源234は、カソード216とアノード238との間にパルス302を生成する。
パルス電源234により生成される電力は、カソード216とアノード238との間の領域245に存在するガスを部分的に電離させる。その部分的に電離したガスは、弱電離プラズマ、または、予備電離プラズマとも呼ばれる。先に記載のとおり、弱電離プラズマの形成により、高電力パルスを弱電離プラズマに印加するときにブレイクダウン状態が作り出される可能性は実質的になくなる。
一実施形態において、約1ミリ秒〜約100秒の間の時間、連続的にその電力を加えることにより、予備電離プラズマは十分なプラズマ密度を形成し得、保持し得る。一実施形態において、弱電離プラズマを保持するために、弱電離プラズマの点火の後に、パルス電源234から電力を連続的に加える。パルス電源234により高電力パルスが供給されるまでに弱電離プラズマを生成し、保持するために、パルス電源234は、連続的にわずかな電力を出力するように設計され得る。
時刻t2〜時刻t3において、パルス電源234は、弱電離プラズマ全体に高電力パルス304を供給する。実施形態によっては、磁気強化プラズマ処理装置200のパラメータに応じて、高電力パルス304の電力は、約1kW〜約10MWの範囲内にある。高電力パルスは、立上り時間が約0.1マイクロ秒〜約10秒の間にある立上りエッジ306を有する。
高電力パルス304の電力およびパルスは、弱電離プラズマを強電離プラズマに変えるに十分である。一実施形態において、約10マイクロ秒〜約10秒の範囲内の時間、高電力パルス304を加える。時刻t4において、高電力パルス304の印加を終了させる。
高電力パルス304の供給後に、バックグランド電力を加えることにより、電源224は弱電離プラズマを保持する。そのバックグランド電力は、一実施形態において、約0.01kW〜約100kWの間にある。バックグランド電力は、パルス状、または、連続的に印加される電力であり得るが、パルス電源234が他の高電力パルス308の供給の準備をする間に、その電力はプラズマ内の予備電離状態を保持する。
時刻t5において、パルス電源234は他の高電力パルス308を供給する。一実施形態において、高電力パルス304と高電力パルス308との間の繰返し率は、約0.1Hz〜約1kHzの間にある。高電力パルス304および高電力パルス308の具体的な大きさ、形状、幅、および、周波数は、様々な要因に依存し、その要因には、パルス電源234の設計、および、磁気強化プラズマ処理装置の設計が含まれる。強電離プラズマの電離速度を制御するが、弱電離プラズマを保持するように、高電力パルス304の立上りエッジ308および立下がりエッジ310の形状および持続時間は選択される。一実施形態において、基板211(図2)のエッチング速度を制御するように、高電力パルスの具体的な大きさ、形状、幅、および、周波数は選択される。
図5は、図2の磁気強化プラズマ処理装置200におけるプラズマに周期的なパルスを印加する場合における、時間の関数としての、印加電圧の絶対値のグラフ表示320、印加電流の絶対値のグラフ表示322、および印加電力の絶対値のグラフ表示324を示す。一実施形態において、時刻t0(図示していない)において、パルス電源234が作動する前に、ガス供給源208から原料ガス264(図3)をチャンバ202に流入させる。ガス供給源208からチャンバ202に十分な量の原料ガス264が流れるに要する時間は、様々な要因に依存し、その要因には、供給ガス264およびチャンバ202内の所望の圧力が含まれる。
図5に示される実施形態において、電源234は時刻t1に定電力を生成する。時刻t1において、パルス電源234は、アノード238とカソード216の間に電圧326を生成する。一実施形態において、電圧326は、約100V〜約5kVの間にある。時刻t0と時刻t1との間隔(図示していない)は、数マイクロ秒〜数ミリ秒のオーダーであり得る。時刻t1において、電流328および電力330は一定値である。
時刻t1〜時刻t2において、弱電離プラズマが生成されるように、電圧326、電流328および電力330は一定のままである。時刻t2における電圧332は、約100V〜約5kVの間にある。時刻t2における電流334は、約0.1A〜約100Aの間にある。時刻t2において供給される電力336は、約0.01kW〜約100kWの間にある。
パルス電源234により生成される電力336は、カソード216とアノード238との間に存在するガスを部分的に電離させる。その部分的に電離したガスは、弱電離プラズマ、または、予備電離プラズマとも呼ばれる。先に記載のとおり、弱電離プラズマの形成により、高電力パルスを弱電離プラズマに印加するときにブレイクダウン状態が作り出される可能性は実質的になくなる。このブレイクダウン状態の抑制により、チャンバ202における望ましくないアーク放電の発生は実質的になくなる。
一実施形態において、時刻t1と時刻t2との間隔は約1ミリ秒〜約100秒の間であり、それにより、予備電離プラズマは十分なプラズマ密度を形成し得、保持し得る。一実施形態において、弱電離プラズマを保持するために、パルス電源234から電力336を連続的に加える。弱電離プラズマを保持するために、パルス電源234は、連続的にわずかな電力を出力するように設計され得る。
時刻t2〜時刻t3において、パルス電源234は、弱電離プラズマ全体に高電圧パルス338を供給する。実施形態によっては、高電圧パルス338の電圧は、約200V〜約30kVの範囲内にある。実施形態によっては、時刻t2と時刻t3との間隔は、約0.1マイクロ秒〜約10秒の間にある。プラズマをまたぐ電流が増加しだす前に、時刻t3〜時刻t4において高電圧パルス338を印加する。一実施形態において、時刻t3と時刻t4との間隔は、約10ナノ秒〜約1マイクロ秒の間にあり得る。
時刻t4〜時刻t5において、電圧340は下げられ、電流342は増加する。電力344も、電圧346と電流348との間に準静的な状態が存在するまで、時刻t4〜時刻t5において増加する。時刻t4と時刻t5との間隔は、数百ナノ秒のオーダーであり得る。
一実施形態において、時刻t5において、電圧346は約50V〜約1000Vの間にあり、電流348は約10A〜約5kAの間にあり、電力350は約1kW〜約10MWの間にある。時刻t6まで、電力350はプラズマに連続的に印加される。一実施形態において、時刻t5と時刻t6との間隔は、約1マイクロ秒〜約10秒の間にある。
一実施形態において、磁気強化プラズマ処理装置は、プラズマエッチング用に構成される。この実施形態において、カソード216からのスパッタリングを実質的に防ぐために、時刻t5において、電圧346は約50V〜約1000Vの間にあり、電流348は、約1000A〜約10,000Aの間にある。
パルス電源234は、最大電力350およびパルス幅が弱電離プラズマを強電離プラズマに変えるに十分である高電力パルスを供給する。時刻t6において、最大電力350の印加を終了させる。一実施形態において、時刻t6の後に、パルス電源234は、プラズマを保持するに十分なバックグランド電力を供給し続ける。
一実施形態において、高電力パルスの供給後に、約0.01kW〜約100kWの間にあり得る電力352をプラズマに連続的に加えることにより、電源224は弱電離プラズマを保持する。パルス電源234が次の高電力パルスの供給の準備をする間に、連続的に生成される電力はプラズマ内の予備電離状態を保持する。
時刻t7において、パルス電源234は次の高電力パルス(図示していない)を供給する。一実施形態において、高電力パルス間の繰返し率は、約0.1Hz〜約10kHzの間にある。高電力パルスの具体的な大きさ、形状、幅、および、周波数は、様々な要因に依存し、その要因には、パルス電源234の設計、および、磁気強化プラズマ処理装置の設計が含まれる。
他の実施形態(図示していない)において、電源234は定電圧を生成する。この実施形態において、時刻t2から時刻t6まで電圧320を連続的に印加する。電流322および電力324は、時刻t6まで増大し、電圧320の印加が終了されるまで、比較的一定なレベルにとどまる。その増大した電流および電力により、励起原子が生成される。
図6A〜図6Dは、図2の磁気強化プラズマ処理装置200における種々の電子のE×Bドリフト電流に対してシミュレートしたカソード216近傍における磁場分布400、磁場分布402、磁場分布404、および、磁場分布406を示す。マグネトロンにより生成されたプラズマの反磁性特性は強いために、マグネトロン放電は、プラズマのボリュームからの外部磁場を締め出す傾向にある。シミュレートされた磁場分布400、磁場分布402、磁場分布404、および、磁場分布406は、大電流を有する高電力プラズマが、図2の磁気強化プラズマ処理装置の領域246に均一に拡散する傾向にあることを示す。
カソード216とアノード238との間の高電力パルスは、カソード216から二次電子を生成し、その二次電子は、交差した電場と磁場とに従ってカソード216の近傍において円運動する。電子の実質的な円運動により、電子のE×Bドリフト電流が生成される。電子のE×Bドリフト電流の大きさは、プラズマ内の放電電流の大きさに比例し、一実施形態において、放電電流の大きさの約3倍〜約10倍の範囲にある。
一実施形態において、実質的に円運動する電子のE×Bドリフト電流により磁場が生成されるが、その磁場は、磁石系252により生成される磁場と交差する。一実施形態において、電子のE×Bドリフト電流により生成される磁場の向きは、磁場系252により生成される磁場の向きと実質的に反対である。電子のE×Bドリフト電流により生成される磁場の大きさは、電子のE×Bドリフト電流の増加とともに増加する。磁石系252により生成される磁場と、電子のE×Bドリフト電流により生成される磁場との相互作用により、領域246内の少なくとも一部に強電離プラズマの均一な拡散が引き起こされる。
一実施形態において、電子のE×Bドリフト電流は、低電流密度プラズマの場合には、実質的に円形な形状を定める。しかし、プラズマの電流密度が増加するにつれ、実質的に円形の電子のE×Bドリフト電流は、より複雑な形状を表す傾向にある。これは、磁石系252により生成される磁場と、高電力パルスにより生成される磁場と、電子のE×Bドリフト電流により生成される磁場との相互作用が強くなるためである。例えば、一実施形態において、電子のE×Bドリフト電流の形状は実質的にサイクロイドである。従って、電子のE×Bドリフト電流の正確な形状は非常に複雑であり得、様々な要因に依存する。
例えば、図6Aは、磁石系252により生成される磁場と、実質的に円形な輪により示される電子のE×Bドリフト電流410により生成される磁場との相互作用により生成される磁力線408を示す。電子のE×Bドリフト電流410は、カソード216近傍に生成される。
図6Aに示される例において、電子のE×Bドリフト電流410は、約100Aである。本発明の一実施形態において、電子のE×Bドリフト電流410は、放電電流の約3倍〜約10倍の間にある。従って、図6Aに示される例において、放電電流は約10A〜約30Aの間にある。磁石系252により生成される磁場は、比較的小さな電子のE×Bドリフト電流410により生成される比較的小さな磁場によって、実質的には乱されないということを、図6Aに示される磁力線408は示す。
図6Bは、磁石系252により生成される磁場と、電子のE×Bドリフト電流414により生成される磁場との相互作用により生成される磁力線412を示す。電子のE×Bドリフト電流414は、カソード216近傍に生成される。図6Bに示される例において、電子のE×Bドリフト電流414は、約300Aである。電子のE×Bドリフト電流414は、通常、放電電流の約3倍〜約10倍の間にあるため、この例における放電電流は約30A〜約100Aの間にある。
磁石系252により生成される磁力線412は、比較的小さな電子のE×Bドリフト電流414により生成される比較的小さな磁場によって、実質的には乱されない。しかしながら、電子のE×Bドリフト電流414に最近接する磁力線416は、電子のE×Bドリフト電流414により生成される磁場によって、いくぶんか歪められる。より大きな電子のE×Bドリフト電流により、磁石系252により生成される磁場とより強く相互作用するより強い磁場が生成されるということを、この歪みは示唆する。
図6Cは、磁石系252により生成される磁場と、電子のE×Bドリフト電流420により生成される磁場との相互作用により生成される磁力線418を示す。電子のE×Bドリフト電流420は、カソード216の近傍に生成される。図6Cに示される例において、電子のE×Bドリフト電流420は、約1,000Aである。電子のE×Bドリフト電流420は、通常、放電電流の約3倍〜約10倍の間にあるため、この例における放電電流は約100A〜約300Aの間にある。
磁石系252により生成される磁力線418は相当な歪みを示し、その歪みは、比較的大きな電子のE×Bドリフト電流420により生成される比較的強い磁場により引き起こされる。従って、より大きな電子のE×Bドリフト電流420は、より強い磁場を生成し、そのより強い磁場は、磁石系252により生成される磁場と強く相互作用し、その磁場を支配しだす。
磁石系252により生成される磁場と、電子のE×Bドリフト電流420により生成される磁場との相互作用は、実質的に磁力線422を生成するが、磁力線422は、図6Aの磁力線408ならびに図6Bの磁力線412および磁力線416よりも、カソード216の表面に対して幾ばくかより平行である。磁力線422は、強電離プラズマを領域246内においてより均一に分布させる。
従って、強電離プラズマは、領域246内において、実質的に均一に拡散する。従って、従来の磁気強化エッチングシステムと比べて、カソード216は、より均一に、正イオンの衝突を受ける。この均一な衝突により、領域246に均一に分布した二次電子が生成される。その二次電子は、実質的に均一な強電離プラズマと均一に相互作用する。その結果、本発明による磁気強化プラズマエッチングプロセスにおいて、基板211(図2)はより均一にエッチングされる。
図6Dは、磁石系252により生成される磁場と、電子のE×Bドリフト電流426により生成される磁場との相互作用により生成される磁力線424を示す。電子のE×Bドリフト電流426は、カソード216の近傍に生成される。図6Dに示される例において、電子のE×Bドリフト電流426は、約5kAである。この例における放電電流は約500A〜約1,700Aの間にある。
比較的大きな電子のE×Bドリフト電流426により生成される比較的強い磁場と相互作用するために、磁石系252により生成される磁力線424は、比較的強く歪められる。従って、この実施形態において、比較的大きな電子のE×Bドリフト電流426は非常に強い磁場を生成し、その磁場は、磁石系252により生成される磁場と比べて相当強い。
図7は、本発明による磁気強化プラズマ処理装置450の別の実施形態の断面図を示す。磁気強化プラズマ処理装置450は、弱電離プラズマまたは予備電離を生成する電極452を含む。電極452は、予備電離フィラメント電極とも呼ばれ、弱電離プラズマを生成するイオン源の構成要素である。
一実施形態において、電極452は、電源456の出力454に結合される。電極456はDC電源またはAC電源であり得る。絶縁体458は、電極452をチャンバ202の接地された壁と絶縁する。一実施形態において、電極452は、実質的に円形の電極である。他の実施形態において、電極452は、実質的に直線の形状であるか、または、プラズマを予備電離するに適する形状である。
一実施形態において、電源456の第2の出力460は、カソード216に結合される。絶縁体226はカソード216をチャンバ202の壁と絶縁する。一実施形態において、電源456は、平均が約0.01kW〜約100kWの範囲にある出力電力を生成する。上記の出力電力は、電極452とカソード216との間に、電極452の近傍に存在する原料ガスを予備電離するに適する電流を生成するに十分である。
動作中において、磁気強化プラズマ処理装置450は、図2の磁気強化プラズマ処理装置200と類似した態様で機能する。磁場254は、カソード216の近傍に生成される。一実施形態において、磁場254の強さは、約50ガウス〜約2,000ガウスの間にある。ガス流制御システム210により、原料ガスは、ガス供給源208からチャンバ202に供給される。
電源456は、カソード216と電極452との間に適切な電流を印加する。電極452近傍の領域246に弱電離プラズマを発生させるように、電流のパラメータは選択される。一実施形態において、プラズマの体積に応じて、電源456は約100V〜約5kVの電圧を生成し、約0.1A〜約100Aの放電電流を伴う。電圧の特定のパラメータの例について、図8とともに、以下により詳細に記載する。
一実施形態において、アルゴンスパッタリングガスに対して、結果として生じる予備電離プラズマの密度は、約106cm−3〜約1012cm−3の間にある。一実施形態において、チャンバ202内の圧力は、約10−3Torr〜約10Torrの間にある。上述したように、弱電離プラズマまたは予備電離プラズマにより、プラズマに高電力パルスを印加するときにチャンバ202内がブレイクダウン状態になる可能性は実質的になくなる。
次いで、パルス電源234は、カソード216とアノード238との間に高電力パルスを生成する。高電力パルスは、弱電離プラズマから強電離プラズマを生成する。高電力パルスのパラメータは様々なパラメータに依存し、そのパラメータには、プラズマの体積、所望の堆積速度、および、基板211のエッチングに必要な予備電離プラズマの濃度が含まれる。
一実施形態において、カソード216とアノード238との間の高電力パルスは約1kW〜約10MWの範囲内にある。一実施形態において、約10mTorrの圧力に対して、強電離プラズマから生成され得る放電電流密度は、約1A/cm2よりも大きい。一実施形態において、高電力パルスのパルス幅は、約1マイクロ秒から約数秒の範囲内にある。一実施形態において、高電力放電の繰返し率は、約0.1Hz〜約10Hzの範囲内にある。
パルス電源により生成される電力の平均は、望ましくない基板の加熱を最小限にするように選択され得る。例えば、プラズマの体積に応じて、パルス電源により生成される電力の平均は、1MW未満になるように選択され得る。一実施形態において、カソード216、アノード238、および、基板支持体212のうちの少なくとも1つにおける熱エネルギーは、液体冷却またはガス冷却(図示していない)によって持去られるか、または、分散される。
ガス流制御システム210は、強電離プラズマを保持するに十分高い原料ガス流速を提供する。その上、強電離プラズマを保持する範囲にチャンバ202内の圧力を保つように、真空バルブ206は圧力を制御する。
強電離プラズマ内のイオンは、基板211に向かい加速し、基板211の表面に衝突する。強電離プラズマにより、基板材料のエッチング速度は非常に速くなる。その上、本明細書において図6A〜図6Dとともに記載したように、生成された磁場間の相互作用により、本発明によるプラズマ処理システムによって生成される強電離プラズマは、領域246内に均一に拡散する傾向にある。その均一な拡散により、従来のプラズマエッチングシステムと比べて、基板211の表面へのイオン衝撃の分布はより均一になる。従って、基板211は比較的均一にエッチングされる。
図8は、図7の磁気強化プラズマ処理システム450におけるプラズマに周期的なパルスを加える場合における、時間の関数としてのパルス電力のグラフ表示500を示す。一実施形態において、電源456またはパルス電源234の一方を作動させる前に、時刻t0において、ガス供給源208から原料ガスをチャンバ202に流入させる。
別の実施形態において、弱電離プラズマ形成の前に、原料ガスがチャンバ202に入る前の時刻t0において、電源456および/またはパルス電源234を作動させる。この実施形態において、原料ガスは、電極452とカソード216との間に注入され、電極452とカソード216との間において、原料ガスは電源456により点火されて、弱電離プラズマを生成する。
十分な量の原料ガスをチャンバ202に流入するに要する時間は、様々な要因に依存し、その要因には、原料ガスの流速、および、チャンバ202内の所望の動作圧力が含まれる。時刻t1において、電源456は、電極452とカソード216との間に、約0.01kW〜約100kWの範囲にある電力502を生成する。電力502により、電極452近傍の原料ガスが部分的に電離し、それにより、弱電離プラズマまたは予備電離プラズマが生成される。
時刻t2において、パルス電源234は、プラズマの体積に応じて、約1kW未満〜約10MWのオーダーの高電力パルス504を弱電離プラズマに供給する。高電力パルス504は、弱電離プラズマを強電離プラズマに変えるに十分である。その高電力パルスの立上りエッジ506の立上り時間は約0.1マイクロ秒〜約10秒の間にある。
一実施形態において、高電力パルス504のパルス幅は、約1マイクロ秒から約10秒の間にある。時刻t4において、高電力パルス504の印加を終了させる。高電力パルス504の供給の後においても、パルス電源234が他の高電力パルス508の供給の準備をする間に、電源456からの電力502は連続的に印加されて、予備電離プラズマを保持する。他の実施形態(図示していない)において、電源456は、AC電源であり、適切な電力パルスを供給することにより、弱電離プラズマを点火し、保持する。
時刻t5において、パルス電源234は他の高電力パルス508を供給する。一実施形態において、高電力パルスの繰返し率は、約0.1Hz〜約10kHzの間にある。高電力パルスの具体的な大きさ、形状、幅、および、周波数は、処理パラメータと、パルス電源234の設計と、プラズマ処理システムの設計とに依存する。高電力パルス504の立上りエッジ506および立下がりエッジ510の形状および持続時間は、強電離プラズマの電離速度を制御するように選択される。一実施形態において、高電力パルス504の具体的な大きさ、形状、幅、および、周波数は、基板材料のエッチング速度を制御するように選択される。
図9A〜図9Cは、本発明によるカソード216’、カソード216”、および、カソード216”’の様々な実施形態の断面図である。図9A〜図9Cは、カソード216’、カソード216”、および、カソード216”’のそれぞれの片側(図7を参照して右側)を示す。カソード216’、カソード216”、および、カソード216”’のそれぞれの左側は、通常、図示した右側と対称的である。図9A〜図9Cは、電極452と、カソード216’、カソード216”、および、カソード216”’との様々な構成を示す。その様々な構成は、電極452とカソード216’、カソード216”、および、カソード216”’のそれぞれとの間に生成される電場のパラメータに影響を及ぼし得る。
電場のパラメータは、通常、予備電離プロセスのみならず、予備電離プラズマの点火にも影響を及ぼし得る。一実施形態において、様々な実施形態は、原料ガスのブレイクダウンに必要な状態、ならびに、アノード238とカソード216’、カソード216”、および、カソード216”’のそれぞれとの間の領域における弱電離プラズマの点火に必要な状態を作り出す。
図9Aは、カソード216’の片側を示す。カソード216’の表面518は、円形電極452に実質的に平行であり、円形電極452のベンド520よりも先まで広がる。この実施形態において、カソード216’と円形電極452との間に生成される電場の電気力線(図示していない)は、円形電極452の円周に沿ってカソード216’と実質的に直交する。この実施形態により、弱電離プロセスの効率を上げ得る。
図9Bは、カソード216”の片側を示す。この実施形態において、カソード216”と円形電極452との間に生成される電気力線(図示していない)は、カソード216”上の点528において、カソード216”と実質的に直交する。電極452とカソード216”との間のギャップ530における電場は、ギャップ530を介して流れる原料ガスからのプラズマを点火するように適合される。点528に対する磁場の生成される位置、および、カソード216”の近傍領域の圧力などの様々なパラメータに依存して、この実施形態により、弱電離プロセスの効率を上げ得る。
図9Cは、カソード216”’の片側を示す。この実施形態において、カソード216”’と円形電極452との間に生成される電気力線(図示していない)は、点538において、カソード216”’と実質的に直交する。電極452とカソード216”’との間のギャップ540における電場は、ギャップ540を介して流れる原料ガスからのプラズマを点火するように適合される。点538に対する磁場の生成される位置、および、カソード216”’の近傍領域の圧力などの様々なパラメータに依存して、この実施形態により、弱電離プロセスの効率を上げ得る。
図10は、本発明による磁気強化プラズマ処理装置450’の他の実施形態の断面図である。この実施形態は、図7の磁気強化プラズマ処理装置450と類似する。しかしながら、この実施形態において、イオン源の構成要素である電極452’は、カソード216を実質的に取り囲む。
カソード216に対する電極452’の位置は、アノード238とカソード216との間のギャップ244における特定の電気的状態を果たすように選択される。例えば、この実施形態において、予備電離電極452’は、アノード238とカソード216との間の領域245’に物理的に配置されていないため、予備電離電極452’は、アノード238とカソード216との間に高電力パルスを印加するときに得られる強電場と干渉しない。
電源456は、カソード216とアノード452’との間に実質的に一定な電圧を印加する。その実質的に一定な電圧により、電極452’およびカソード216の近傍に弱電離プラズマまたは予備電離プラズマが生成される。予備電離プラズマによって、そのプラズマに高電力パルスを印加するときにチャンバ202内がブレイクダウン状態になる可能性は実質的になくなる。
一実施形態において、電源456はDC電源であり、そのDC電源は、約0.1A〜約100Aの範囲内にある放電電流を伴う約100V〜約5kVの範囲内のDC電圧を生成する。他の実施形態において、電源456はAC電源であり、そのAC電源は、カソード216と電極452’との間に電圧パルスを生成する。
電極452’がカソード216を実質的に取り囲むために、電極452’とカソード216との間隔462は、電極452’の直径を変化させることにより、変わり得る。例えば間隔462は、約0.3cmから約10cmへと変わり得る。間隔462は、領域246’の弱電離プラズマを保持するように選択される。カソード216に対する電極452’の垂直方向の位置も、変わり得る。
パルス電源234は、先に記載のように、カソード216とアノード238との間に高電力パルスを生成する。高電力パルスは、弱電離プラズマから強電離プラズマを生成する。
図11は、本発明による磁気強化プラズマ処理装置450”の他の実例となる実施形態の断面図である。磁気強化プラズマ処理装置450”は、図7の磁気強化プラズマ処理装置450と類似する。例えば、電極452”はイオン源の構成要素である。しかしながら、電極452”は、第1の電源464に結合され、追加の第2の電源466にも結合される。カソード216に対する電極452”の位置は、特定のプラズマ処理特性を果たすように選択される。
第1の電源464の第1の出力468は、絶縁体458を介して電極452”の第1の面470に結合される。第1の電源464の第2の出力472は、絶縁体476を介して電極452”の第2の面474に結合される。第1の電源464は、電極452”を介する電流を生成するように適合される。電流は、本質的に、電極452”内に熱を生成し、加熱された電極452”は電子を領域245”に放つ。一実施形態において、第1の電源464はDC電源であり、電極452”を介して実質的に一定の電流を印加する。他の実施形態において、第1の電源464はAC電源である。
第2の電源466の第1の出力478は、絶縁体480を介してアノード238に結合される。第2の電源466の第2の出力482は、電極452”の第2の面474に結合される。第2の電源466は、電極452”とアノード238との間に電圧を印加するように適合される。第2の電源466は、AC電源またはDC電源であり得る。一実施形態において、第2の電源466は、約0.1A〜約100Aの範囲内の放電電流を伴う約100V〜約5kVの電圧を生成する。
一実施形態において、第2の電源466は、実質的に一定の電圧を印加し、その電圧は、電極452”およびカソード216の近傍に弱電離プラズマまたは予備電離プラズマを生成する。予備電離プラズマにより、高電力パルスを印加するときに、チャンバ202内がブレイクダウン状態になる可能性は実質的になくなる。
高電力パルス電源234は、カソード216とアノード238との間に高電力パルスを生成する。高電力パルスは、弱電離プラズマから強電離プラズマを生成する。上述のとおり、高電力パルスのパラメータは様々なパラメータに依存し、そのパラメータには、プラズマの体積、所望のエッチング速度、および、予備電離プラズマの所望の濃度が含まれる。
図12は、本発明による磁気強化プラズマエッチングの実例となるプロセスのフローチャート600である。そのプロセスは、図2の磁気強化プラズマ処理装置200内の様々なシステムに電圧を印加することにより、開始する(工程602)。例えば、まず、チャンバ202を特定の圧力まで真空引きする(工程604)。次いで、チャンバ202内の圧力を評価する(工程606)。一実施形態においては、次いで、チャンバに原料ガスを供給する(工程608)。
次いで、ガス圧を評価する(工程610)。ガス圧が適当である場合には、チャンバ202内の圧力を再び評価する(工程612)。チャンバ202内の圧力が適当である場合には、原料ガスの近傍に適当な磁場を生成する(工程614)。一実施形態において、図2の磁石系252には、少なくとも1つの永久磁石が含まれる。従って、プロセス開始前から一定の磁場が生成されている。他の実施形態において、磁石系(図示していない)には、少なくとも1つの電磁石が含まれる。従って、電磁石が作動するときにのみ磁場が生成される。
磁場が適当である場合には(工程616)、原料ガスは電離して、弱電離プラズマを生成する(工程618)。一実施形態において、図2のカソード216とアノード238の間のギャップ244に比較的低い電流放電を作り出すことによって、弱電離プラズマが生成される。他の実施形態において、図7の電極452とカソード216との間に比較的低い電流放電を作り出すことによって、弱電離プラズマが生成される。さらに他の実施形態において、図11の電極452”が加熱されて、カソード216の近傍に電子を放出する。図11の実施形態において、アノード238と電極452’との間に、比較的低い電流放電が作り出される。
図2の実施形態において、原料ガスを導入する前に、カソード216とアノード238との間のギャップ244に電位を加えることによって、弱電離プラズマが生成される。図7に示される実施形態において、弱電離プラズマを生成する原料ガスを導入する前に、図7の電極452とカソード216との間に電位差を加えることによって、弱電離プラズマが生成される。
ガスが弱電離している場合には(工程620)、基板に負のバイアスをかける(工程621)。次いで、弱電離プラズマから強電離プラズマが生成される(工程622)。一実施形態において、カソード216とアノード238との間に高電力パルスを印加することによって、強電離プラズマが生成される。上述したように、高電力パルスによって、アノード238とカソード216との間のギャップ244に強電場が生成される。その強電場によって、原子の原料ガスが段階的に電離し、強電離プラズマになる分子の原料ガスのイオン形成が促進される。一実施形態において、強電離プラズマは、図2の領域246内において実質的に均一である。その均一性により、実質的に均一な基板211のエッチングが得られる。
基板211はカソード216に対して負にバイアスがかけられているために、基板211は、実質的に均一な強電離プラズマから電子を引き付ける。それにより、イオンが基板211に衝突して、基板材料のエッチングが引き起こされる。一実施形態において、強電離プラズマが形成されると(工程624)、周知のモニタリング技術を用いて、プラズマエッチングをモニタリングする(工程628)。プラズマエッチングが完了すると(工程630)、プラズマエッチング処理を終了させる(工程632)。
図13は、本発明によるエッチング速度の制御の実例となるプロセスのフローチャート650である。そのプロセスは、図2の磁気強化プラズマ処理装置200内の様々なシステムに電圧を印加することにより、開始する(工程602)。例えば、まず、チャンバ202を特定の圧力まで真空引きする(工程604)。次いで、チャンバ202内の圧力を評価する(工程606)。一実施形態においては、次いで、チャンバに原料ガスを供給する(工程608)。ガス圧を評価する(工程610)。ガス圧が適当である場合には、チャンバ202内の圧力を再び評価する(工程612)。チャンバ202内の圧力が適当である場合には、原料ガスの近傍に適当な磁場を生成する(工程614)。
磁場が適当であると仮定すると(工程616)、原料ガスは電離して、弱電離プラズマを生成する(工程618)。一実施形態において、図2のカソード216とアノード238の間に比較的低い電流放電を作り出すことによって、弱電離プラズマが生成される。
弱電離プラズマが生成された(工程620)後、基板に負のバイアスをかける(工程621)。次いで、弱電離プラズマから強電離プラズマが生成される(工程622)。一実施形態において、カソード216とアノード238との間のギャップ244に高電力パルスを印加することによって、強電離プラズマが生成される。一実施形態において、強電離プラズマは、図2の領域246内において実質的に均一である。その均一性により、実質的により均一な基板211のエッチングが得られる。基板211は、実質的に均一な強電離プラズマから電子を引き付ける。そのイオンが基板211に衝突することにより、基板材料のエッチングが引き起こされる。
一実施形態において、強電離プラズマが形成されると(工程624)、周知のモニタリング技術を用いて、エッチング速度をモニタリングする(工程652)。エッチング速度が十分でない場合(工程654)には、プラズマに供給される電力を増加させる(工程656)。一実施形態において、カソード216とアノード238との間のギャップ244に印加される高電力パルスの大きさを増すことにより、プラズマに供給される電力が増加する。一実施形態(図示していない)において、基板に衝突するイオンのイオンエネルギーを制御するために、基板にかける負のバイアス(工程621)を変更する。エッチング速度を再び評価する(工程652)。エッチング速度が十分になるまで(工程654)、このプロセスを続け、エッチングが続く(工程658)。プラズマエッチングが完了すると(工程660)、プラズマエッチング処理を終了させる(工程662)。
(等価物)
特に、特定の実施形態を参照して、本発明を示し、記載してきたが、本明細書に定められる本発明の精神および範囲から逸脱することなく、様々な形態および詳細の変更がなされ得ることは、当業者には理解されるべきである。
特に、特定の実施形態を参照して、本発明を示し、記載してきたが、本明細書に定められる本発明の精神および範囲から逸脱することなく、様々な形態および詳細の変更がなされ得ることは、当業者には理解されるべきである。
Claims (37)
- アノードと、
該アノードに隣接して配置され、該アノードとの間にギャップを形成するカソードと、
該カソードの近傍に弱電離プラズマを生成するイオン源と、
該弱電離プラズマの近傍に磁場を生成するように配置された磁石であって、該磁場は、該カソードの近傍の該弱電離プラズマ内の電子を実質的に閉じ込める、磁石と、
該ギャップの全体に電場を作り出す電源であって、該電場は、該弱電離プラズマ内に励起原子を生成し、該カソードから二次電子を生成することにより、複数のイオンを含む強電離プラズマを作り出す、電源と、
該カソードの近傍に配置された基板にバイアス電圧を印加する電圧源であって、該バイアス電圧により、該複数のイオンの中のイオンが該基板の表面のエッチングを引き起こすように該基板の該表面に衝突する、電圧源とを備える、磁気的に強化されたプラズマ処理装置。 - 前記電場が準静的な電場を含む、請求項1に記載の装置。
- 前記電場がパルス状の電場を含む、請求項1に記載の装置。
- 前記電場の立上り時間を選択することにより、前記弱電離プラズマ内の前記励起原子の電離速度を増加させる、請求項1に記載の装置。
- 前記電場の立上り時間を選択することにより、前記基板の前記表面のエッチング速度を増加させる、請求項1に記載の装置。
- 前記弱電離プラズマが、前記アノードと前記カソードとの間に絶縁破壊状態を生み出す可能性を低減させる、請求項1に記載の装置。
- 前記複数のイオンの中の前記イオンが前記基板の前記表面に衝突することにより、該基板の該表面の実質的に均一なエッチングを引き起こす、請求項1に記載の装置。
- 前記複数のイオンの中の前記イオンが前記基板の前記表面に衝突することにより、異方的なエッチングを引き起こす、請求項1に記載の装置。
- 前記アノードと前記カソードとの間の体積を選択することにより、前記弱電離プラズマ内の前記励起原子および分子の電離速度を増加させる、請求項1に記載の装置。
- 前記イオン源が、UV源と、X線源と、電子ビーム源と、イオンビーム源と、誘導結合プラズマ源と、容量結合プラズマ源と、マイクロ波プラズマ源と、電極と、DC電源と、AC電源とを含む群から選択される、請求項1に記載の装置。
- 前記電源が、前記ギャップの全体に前記電場を作り出す電気パルスを生成する、請求項1に記載の装置。
- 前記電気パルスのパルス振幅と、パルス幅とのうちの少なくとも1つを選択することにより、前記基板の前記表面のエッチング速度を増加させる、請求項11に記載の装置。
- 前記バイアス電圧を選択することにより、前記基板の前記表面に衝突する前記複数のイオンの中の前記イオンのイオンエネルギーを制御する、請求項1に記載の装置。
- 前記電場が、前記弱電離プラズマ内にイオンと励起原子を生成し、前記カソードから二次電子を生成し、該二次電子が、該励起原子と、励起分子と、中性原子と、中性分子とを電離することにより、前記強電離プラズマを作り出す、請求項1に記載の装置。
- 原料ガスを電離することにより、カソードの近傍に弱電離プラズマを生成することと、
該弱電離プラズマの近傍に磁場を生成することであって、該磁場は、該カソードの近傍の該弱電離プラズマ内の電子を実質的に閉じ込める、ことと、
該弱電離プラズマ内の原子を励起し、該カソードから二次電子を生成する該弱電離プラズマ全体に電場を印加することであって、該二次電子は該励起原子を電離することにより、複数のイオンを含む強電離プラズマを作り出す、ことと、
該カソードの近傍に配置された基板にバイアス電圧を印加することであって、該バイアス電圧により、該複数のイオンの中のイオンが該基板の表面のエッチングを引き起こすように該基板の該表面に衝突する、こととを包含する、磁気的に強化されたプラズマ処理方法。 - 前記電場を印加することが、定電力で該電場を印加することを包含する、請求項15に記載の方法。
- 前記電場を印加することが、定電圧で該電場を印加することを包含する、請求項15に記載の方法。
- 前記電場を印加することが、準静的な電場を印加することを包含する、請求項15に記載の方法。
- 前記電場を印加することが、前記弱電離プラズマの全体に電気パルスを印加することを包含する、請求項15に記載の方法。
- 前記電気パルスのパルス振幅と、パルス幅とのうちの少なくとも1つを選択することにより、前記強電離プラズマの電離速度を増加させることをさらに包含する、請求項19に記載の方法。
- 前記電気パルスのパルス振幅と、パルス幅とのうちの少なくとも1つを選択することにより、前記基板の前記表面の近傍の領域において前記強電離プラズマが実質的に均一になることをさらに包含する、請求項19に記載の方法。
- 前記電気パルスのパルス振幅と、パルス幅とのうちの少なくとも1つを選択することにより、前記基板の前記表面のエッチング速度を増加させることをさらに包含する、請求項19に記載の方法。
- 前記複数のイオンの中のイオンが、前記基板の前記表面に実質的に均一に衝突する、請求項15に記載の方法。
- 前記強電離プラズマが、前記基板の表面の近傍において実質的に均一である、請求項15に記載の方法。
- 前記弱電離プラズマの前記ピークプラズマ密度が約1012cm−3未満である、請求項15に記載の方法。
- 前記強電離プラズマの前記ピークプラズマ密度が約1012cm−3よりも高い、請求項15に記載の方法。
- 前記基板の前記表面の温度を制御することをさらに包含する、請求項15に記載の方法。
- 前記原料ガスを前記電離することが、電場と、UV源と、X線源と、電子ビーム源と、イオンビーム源と、誘導結合プラズマ源と、容量結合プラズマ源と、マイクロ波源と、DC電源と、AC電源とのうちの少なくとも1つに該原料ガスをさらすことを包含する、請求項15に記載の方法。
- 前記バイアス電圧を選択することにより、前記基板の前記表面に衝突する前記複数のイオンの中の前記イオンのイオンエネルギーを制御する、請求項15に記載の方法。
- 原料ガスのボリュームを電離することにより、カソードの近傍に弱電離プラズマを形成することと、
該弱電離プラズマの近傍に磁場を作り出すことであって、該磁場は、該カソードの近傍の該弱電離プラズマ内の電子を実質的に閉じ込める、ことと、
該弱電離プラズマの全体に電気パルスを印加することにより、第1の複数のイオンを含む強電離プラズマを生成することと、
原料ガスの第2のボリュームの全体に該電気パルスを印加することにより第2の複数のイオンを含む強電離プラズマを生成する間に、原料ガスの該第2のボリュームと該強電離プラズマを交換することと、
該カソードの近傍に配置された基板にバイアス電圧を印加することであって、該バイアス電圧により、該第1の複数のイオンと、該第2の複数のイオンとが該基板の表面のエッチングを引き起こすように該基板の該表面に衝突する、こととを包含する、磁気的に強化されたプラズマ処理方法。 - 前記強電離プラズマを交換することが、原料ガスの第2のボリュームと実質的に全ての該強電離プラズマを交換することを包含する、請求項30に記載の方法。
- 前記電気パルスのパルス振幅とパルス幅とのうちの少なくとも1つを選択することにより、前記強電離プラズマの電離速度を増加させることをさらに包含する、請求項30に記載の方法。
- 前記電気パルスのパルス振幅とパルス幅とのうちの少なくとも1つを選択することにより、前記基板の前記表面に隣接する領域において前記強電離プラズマが実質的に均一になることをさらに包含する、請求項30に記載の方法。
- 前記電気パルスのパルス振幅とパルス幅とのうちの少なくとも1つを選択することにより、前記基板の前記表面のエッチング速度を増加させることをさらに包含する、請求項30に記載の方法。
- 前記弱電離プラズマの全体に前記電気パルスを前記印加することにより、前記弱電離プラズマ内の原子を励起し、前記カソードから二次電子を生成し、該二次電子が該励起原子を電離することにより、前記強電離プラズマを作り出す、請求項30に記載の方法。
- 原料ガスを電離することにより、カソードの近傍に弱電離プラズマを生成する手段と、
該弱電離プラズマの近傍に磁場を作り出す手段であって、該磁場は、該カソードの近傍の該弱電離プラズマ内の電子を実質的に閉じ込める、手段と、
該弱電離プラズマの全体に電場を印加することにより、該弱電離プラズマ内の原子を励起し、該カソードから二次電子を生成する手段であって、該二次電子が該励起原子を電離することにより、複数のイオンを含む強電離プラズマを作り出す、手段と、
該カソードの近傍に配置された基板にバイアス電圧を印加する手段であって、該バイアス電圧により、該複数のイオンの中のイオンが該基板の表面のエッチングを引き起こすように該基板の該表面に衝突する、手段と
を備える磁気的に強化されたプラズマ処理装置。 - 原料ガスのボリュームを電離することにより、カソードの近傍に弱電離プラズマを形成する手段と、
該弱電離プラズマの近傍に磁場を作り出す手段であって、該磁場は、該カソードの近傍の該弱電離プラズマ内の電子を実質的に閉じ込める、手段と、
該弱電離プラズマの全体に電気パルスを印加することにより、第1の複数のイオンを含む強電離プラズマを生成する手段と、
原料ガスの第2のボリュームの全体に該電気パルスを印加することにより第2の複数のイオンを含む強電離プラズマを生成する間に、原料ガスの該第2のボリュームと該強電離プラズマを交換する手段と、
該カソードの近傍に配置された基板にバイアス電圧を印加する手段であって、該バイアス電圧により、該第1の複数のイオンと、該第2の複数のイオンとが該基板の表面のエッチングを引き起こすように該基板の該表面に衝突する、手段とを備える、磁気的に強化されたプラズマ処理装置。
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